海州露天矿南帮地质稳定性评价及治理方案

刘海洋，郝 哲，2，李宇男

（1.沈阳大学 建筑工程学院，辽宁 沈阳 110044；2.辽宁有色勘察研究院，辽宁 沈阳 110013）

阜新海州露天煤矿是世界闻名的大型露天矿，其东西长3.9km；南北宽1.8km.设计开采深度为350m，曾经是亚洲最大的露天煤矿，其平面图如图1所示.该矿于1953年7月1日正式投产，2005年7月1日闭坑，是我国第一个闭坑的大型露天煤矿.

图1 海州露天矿平面图Fig.1 Plan of Hai Zhou open pit mine

该矿闭坑后，遗留了面积为6km2、深度达350m的矿坑，其中，南帮不稳定边坡（滑坡易发区）面积达434×104m2，占不稳定边坡总面积的59%.已累计造成经济损失3亿元，目前南帮有滑坡遗迹20余处，由此带来的地表变形、裂缝、沉降、塌陷等一系列地质灾害已经对矿区居民和企事业单位构成严重威胁.因此，对露天矿南帮进行地质环境稳定性评价，进而提出科学有效的治理方案，对矿区后续开发、环境治理和安全建设具有重要的现实意义；同时，通过本次研究探索出的有益经验，也能够为国内即将闭坑的一系列同类矿山提供参考和借鉴，具有良好的工程示范意义.

1 计算条件预设

1.1 计算方法

边坡稳定性分析方法，可以归结为两类：即定性分析和定量分析［1－2］.定性分析方法包括工程类比法、图解法等.定量分析法包括极限平衡法，数值分析法及各种不确定性分析法.各类方法均有其优势，在实际运用中均取得了丰硕成果［3－9］.但是无论采取何种分析方法，边坡岩土体的工程地质特征，如主控结构面、深大裂缝、地下水、不利结构面的位置等，都是需要考虑的重要因素.

考察海州露天矿南帮边坡的工程地质条件发现，层状结构的岩体主要受到 F中1和 F中3、F东1、F高1和F高2等5个断层的影响，使得南帮岩体的质量在空间分布上具有较显著的不均一性.为更好地刻画边坡稳定性特征，得到更为准确的分析结果，本文采用定量分析方法来进行南帮边坡的稳定性评价，具体方法为极限平衡法，建模软件为Geostudio岩土工程软件.

Geostudio软件提供了4种比较成型的极限分析方法：Ordinary（瑞典圆弧法）、Bishop、Janbu和Morgenstern－Price法.考虑到分析的全面性和严谨性，本文将综合4种方法的计算结果，以确定最小安全系数值，作为进一步加固计算的依据.

1.2 计算参数选取

根据辽宁有色勘察研究院提供的地勘报告，结合现场观测成果，综合确定了南帮计算岩土层的物理力学参数，如表1所示.

表1 海州露天矿南帮岩土体物理力学参数表Table 1 Physical－mechanical parameters of soil layers of south side slope in Hai Zhou open pit mine

1.3 计算剖面选取

地质构造因素如岩体结构及结构面的发育特征是岩质边坡稳定性的重要控制因素，在区域构造较为复杂，褶皱比较明显，新构造运动活跃的地区，常出现大型滑坡及滑坡群；而断层、节理裂隙发育特征明显的岩体边坡亦极易沿软弱结构面或结构切割面发生剪切滑动，其形式分为圆弧滑移和平面滑移；此外，岩层或结构面的产状对边坡稳定也有很大的影响.

因此，充分利用地质资料，选取具有控制性和代表性的结构剖面建立边坡稳定性分析模型，对于获得准确的计算结果至关重要.

图2 W2剖面现状分析Fig.2 Analysis of current W2profile

图3 EW0剖面现状分析Fig.3 Analysis of current EW0profile

为充分考虑各种地质构造条件对边坡稳定性的影响，考察边坡变形体或滑体的主要蠕动、变形和滑移方向，从而得到可靠的边坡稳定性计算结果，本次分析在海州露天矿南帮由西向东选择了6个典型控制剖面：W2、EW0、E2、E10、E18、E20.具体剖面图如图2～图7所示.各剖面的岩层构造特征为：W2剖面、EW0剖面的煤层顺逆层发育特征较为明显，无断层穿过；E2剖面被太平中部1号断层切割（属逆向断层）；E10剖面被太平中部3号断层切割（属逆向断层）；E18剖面被太平东部1号断层切割（属逆向断层）；E20剖面被高德1号和2号断层切割（属顺向断层）.为真实反映边坡的整体稳定特征，取全坡高进行分析：底部标高取为－200m，总高度400～450m；水平范围根据各剖面形状进行截取：南端坐标取至－600 m处，总长度取为700～1 100m不等.边坡采用2010年勘测的南帮边坡线.剖面中的第四纪土层、土层、煤层、采空区、平巷、断层均按照实际剖面的材料参数真实模拟.

图4 E2剖面现状分析Fig.4 Analysis of current E2profile

图5 E10剖面现状分析Fig.5 Analysis of current E10profile

图6 E18剖面现状分析Fig.6 Analysis of current E18profile

图7 E20剖面现状分析Fig.7 Analysis of current E20profile

1.4 临界安全系数

临界安全系数是边坡稳定性分析的评判依据，《露天煤矿工程设计规范》（GB 50197—2005）和《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2002）分别给出了各种条件下的安全系数取值（见表2）.

结合现场条件，综合两种规范的要求，本次计算中确定临界安全系数值为：FOS＝1.35.

表2 安全系数取值表Table 2 Safety factors by different specifications

2 仿真分析

对选取的6个计算剖面（W2、EW0、E2、E10、E18、E20）建模分析，如图2～图7所示，具体计算结果汇总见表3.

分析计算结果如下：

表3 W2～E20剖面安全系数计算结果Table 3 Current safety factors of W2～E20profiles

（1）EW0、E2、E20三个剖面的安全系数均低于规范值，其中EW0剖面安全系数最低；

（2）W2、E10、E18三个剖面安全系数虽然满足规范要求，但其值都在低位徘徊，说明安全储备不足，存在致灾隐患.由于该区域被多条断层切割，地质条件复杂，因此也极有治理的必要性；

（3）综合剖面图发现，海州矿南帮边坡节理层次性显著：下半部具有明显的顺层边坡特点，体现出局部滑坡特征；上半部则逆层边坡居多，整体稳定性较好，但由于坡角过大，一旦下部边坡失稳，会形成“头重脚轻根底浅”的局面，极易诱发上部失稳，导致上部山体滑移甚至塌方，形成二次灾害.

3 治理方案研究

我国露天矿目前采用的边坡加固方法主要有：“挡”“疏”“减”“锚”“护”等方法，具体施工措施包括：地裂缝及地面沉陷回填、抗滑桩、挡土墙、削坡、压坡脚、设置排水沟、土工格构、平盘、锚索、客土绿化等.

2005—2010年，针对海州露天矿北帮共进行了三期地质灾害治理工程，已初见成效，同时总结出一批有益的工程经验.现海州矿露天南帮部分边坡角已达40°～41°，超过设计的坡角（38°38′），因此可认为边坡角的增大成为边坡失稳的主要因素.近些年南帮发生数十次大面积滑坡，地表出现裂缝，岩体多处滑移，而且边坡上部残存煤层火点密布，自燃情况时有发生，进一步削弱了南帮整体稳定性，增大了失稳隐患.

鉴于此，本文依托“阜新海州露天矿南帮地质环境治理工程项目”，重点研究海州矿南帮的削坡治理方案，一方面能够有针对性地减小滑移荷载，增大安全储备，同时消除了自燃火点载体，有利于矿区防火；另一方面削坡可以剥离部分煤层，产生一定的经济效益，对于充分利用现有技术设备，安置企业员工，实现平稳停产过渡，具有现实意义.

3.1 方案设计思路

海州露天矿南帮长达3 400m，且各断面形状不一，构造复杂.若局部各坡段均满足38°坡角，不仅工程量巨大（概算费用达18亿），而且地表削坡线将切断环坑公路，影响矿区正常生产.因此，为实现经济合理性与技术可行性的统一，本文建议将设计思路调整如下：

（1）根据地质勘查报告和数值计算结果，结合现场残煤自燃火点分布特征，按岩层节理特征确定上、下坡段的削坡过渡线；

（2）下部边坡多为顺层边坡，易发生滑移，因此应严格按照边坡稳定要求进行削坡.削坡点视现坑底标高而定，削坡深度参考安全系数值和设计坡角（38°）综合确定；

（3）上部边坡为逆层构造，稳定性较好，因此削坡深度可主要根据残煤自燃深度确定.同时保证坡顶削坡线距环坑公路的距离大于20m；

（4）断层切割处剖面应单独分析其产状特征，不苛求具体工程参数，可因地制宜采取加固措施，如注浆、锚索等.

3.2 削坡方案

依据上述原则，确定削坡平盘方案如下.

（1）南帮整体削坡，水平方向：W8～E26，总长3 400m；垂直方向：削坡底标高定为坑底标高（▽－150m），低于▽－150m处需回填至该标高，高于▽－150m处保持原标高不变；中部大致以▽－20m为上下削坡段过渡标高，但不做统一要求；上部削坡至地表.

（2）上部削坡边线确定为：坡底取为下部边坡削坡顶点处；坡顶取为距环坑公路20m处.

（3）上部边坡逆层构造居多，稳定性较好，以整体坡角不大于38°为控制原则，同时可适当根据消减残煤燃点的需要确定局部削减深度.各段台阶踏面宽度依据此原则及现场条件确定，台阶水平宽度建议控制在7～12m.

（4）下部顺层边坡居多，以38°坡角为控制原则进行削坡至±0.00标高，各段台阶踏面宽度根据坡角要求和现场条件确定，台阶水平宽度建议控制在9～15m.

（5）为保证矿坑内各帮台阶高度统一，南帮整治平盘台阶的设计垂直高度参照北帮台阶参数，根据现场条件取5～14m不等.

3.3 治理效果验证

按3.2的方案实施后，再次对边坡进行稳定性计算，结果如图8～图13所示.

图8 W2剖面削坡后Fig.8 Analysis of W2profile after wall cutting

图9 EW0剖面削坡后Fig.9 Analysis of EW0profile after wall cutting

图10 E2剖面削坡后Fig.10 Analysis of E2profile after wall cutting

图11 E10剖面削坡后Fig.11 Analysis of E10profile after wall cutting

图12 E18剖面削坡后Fig.12 Analysis of E18profile after wall cutting

图13 E20剖面削坡后Fig.13 Analysis of E20profile after wall cutting

表4 W2～E20剖面削坡后安全系数计算结果Table 4 Safety factors of W2～E20profiles after wall cutting

4 结 论

由计算结果可见，削坡后各剖面的安全系数均有所提高，达到规范要求；现场煤层自燃载体消减，防火形势改善，因此该治理方案技术上可行；另外，该方案最大限度减少了削坡工程量，同时带来了一定煤炭产出，具有经济上的合理性.经验算，该方案满足安全需求，同时可以产生良好的经济效益，是对超大露天矿坑边帮地灾治理的一次有益探索和尝试，为类似工程积累了经验.

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